郝明 張華 范洪冬 楊敏

(中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院 江蘇徐州 221116)

測量學(xué)主要講述測繪的基本原理和方法，主要任務(wù)為測定和測設(shè)，即將地物繪制成地形圖或按設(shè)計好的圖紙將設(shè)計地物在實地進(jìn)行標(biāo)定。課程的主要目標(biāo)是使學(xué)生掌握常用的測量方法、能夠操作測量儀器、測繪地形圖、進(jìn)行施工放樣，為工程建設(shè)、形圖測繪、施工放樣、資源調(diào)查、煤礦測量等提供測量學(xué)方面的基礎(chǔ)知識[1]。測量學(xué)要求學(xué)生進(jìn)行大量的實踐操作，通過理論聯(lián)系實際，才能深入地了解測量的原理、流程以及具體步驟。

近幾年，計算機技術(shù)得到了飛速發(fā)展，從而推動了虛擬仿真技術(shù)的快速發(fā)展。虛擬仿真技術(shù)是由計算機硬件、軟件以及各種傳感器構(gòu)成的人工三維信息虛擬環(huán)境，可以逼真地模擬現(xiàn)實世界存在的事物，或創(chuàng)造不存在的事物和環(huán)境[2]。趙強[3]研究者基于測繪專業(yè)實習(xí)的內(nèi)容，利用虛擬仿真技術(shù)，設(shè)計了一套測繪專業(yè)虛擬仿真實習(xí)系統(tǒng)，對虛擬仿真下的測繪實習(xí)進(jìn)行了探討。汪云甲等研究者[4]將虛擬仿真實驗與測繪工程專業(yè)教學(xué)相結(jié)合，構(gòu)建了礦山測量虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)，研究了礦山測量虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計思路、框架、主要模塊、功能及應(yīng)用效果。楊敏等研究者[5]面向礦業(yè)特色測繪和地礦類測繪課程，探討并提出了礦山測量虛擬仿真實驗教學(xué)中心的構(gòu)建模式。郝明等研究者[6]基于虛擬仿真技術(shù)提出了測量學(xué)課堂虛擬仿真的教學(xué)方法。目前，南方測繪公司開發(fā)了較完善的測繪地理信息虛擬仿真教學(xué)平臺。虛擬仿真技術(shù)在測量學(xué)的教學(xué)中得到了較好的應(yīng)用，增強了理論與實踐的結(jié)合程度。

翻轉(zhuǎn)課堂是對傳統(tǒng)的“先教后學(xué)”方式進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，將課堂內(nèi)外的時間進(jìn)行重新調(diào)整和分配，改變傳統(tǒng)教學(xué)中學(xué)生被動學(xué)習(xí)的局面，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，實現(xiàn)“先學(xué)后教”[7]。翻轉(zhuǎn)課堂旨在通過對課堂教學(xué)時間的調(diào)整，將學(xué)習(xí)過程中“信息傳遞”這一過程從課堂轉(zhuǎn)移到課前，通過學(xué)生的自主學(xué)習(xí)，提高學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容的理解和接受能力。課前，學(xué)生自主學(xué)習(xí)，通過預(yù)習(xí)教學(xué)目標(biāo)和內(nèi)容、查詢資料、提出問題等方式，實現(xiàn)課程信息傳遞；課中，通過學(xué)生報告、小組討論、師生交流等形式，實現(xiàn)知識點的理解與內(nèi)化；課后，再通過知識點復(fù)習(xí)、總結(jié)、知識拓展，使教學(xué)效果得到鞏固與升華[8-10]。因此，很有必要將翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式引入到測量學(xué)教學(xué)中。

虛擬仿真教學(xué)可通過搭建虛擬操作環(huán)境提高理論與實踐的結(jié)合程度[11]，翻轉(zhuǎn)課堂可將傳統(tǒng)的被動學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃訉W(xué)習(xí)，提高學(xué)習(xí)效果[12]。該文將虛擬仿真技術(shù)與翻轉(zhuǎn)課堂在測量學(xué)中進(jìn)行綜合應(yīng)用的研究，旨在提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的主動性，拓展自主學(xué)習(xí)的時間和空間，提升測量學(xué)教學(xué)的質(zhì)量和水平。

1 測量學(xué)課程虛擬仿真與翻轉(zhuǎn)課堂融合的必要性

1.1 課堂圖文講解，可理解性不強

傳統(tǒng)的測量學(xué)課程主要通過教師課堂講解知識點、結(jié)合線下實驗課程，達(dá)到教學(xué)目標(biāo)的形式。一方面，課堂講解形式主要為圖文、視頻等形式，而測量學(xué)的教學(xué)內(nèi)容對操作和實踐要求較高，限制了教學(xué)效果；另一方面，課堂教學(xué)與線下實驗分離，雖然線下教學(xué)時仍然會講授實驗內(nèi)容和步驟，但受課程時間和現(xiàn)場條件限制，同學(xué)容易遺忘實驗步驟，增大了實踐操作的難度。

1.2 課前缺少預(yù)習(xí)，學(xué)生學(xué)習(xí)主動性不足

傳統(tǒng)的測量學(xué)教學(xué)中，主要以教師利用多媒體進(jìn)行講授、結(jié)合課堂提問的方式提高學(xué)生課堂參與程度，通過課后作業(yè)的形式檢驗教學(xué)效果。但多數(shù)同學(xué)缺少課前預(yù)習(xí)，無法及時掌握課堂講解的知識，且課堂參與程度有限，不能充分調(diào)動學(xué)生主動學(xué)習(xí)的積極性。

虛擬仿真教學(xué)可實現(xiàn)理論與實踐相結(jié)合，高度真實地模擬儀器的結(jié)構(gòu)、原理和操作，無論是否有儀器，均可進(jìn)行練習(xí)。而翻轉(zhuǎn)課堂是針對學(xué)生在學(xué)習(xí)中缺少主動性的問題，以拓展學(xué)生自學(xué)為主，通過學(xué)生對課程內(nèi)容的資料查閱、講解、交流，迫使學(xué)生進(jìn)行預(yù)習(xí)和準(zhǔn)備，從而變被動為主動。針對測量學(xué)教學(xué)中存在的上述問題，該文設(shè)計了一套虛擬仿真與翻轉(zhuǎn)課堂融合的教學(xué)體系，充分發(fā)揮虛擬仿真與翻轉(zhuǎn)課堂的優(yōu)勢，實現(xiàn)提高教學(xué)效率的目的。

2 虛擬仿真與翻轉(zhuǎn)課堂融合的測量學(xué)教學(xué)體系構(gòu)建與實施

針對目前測量學(xué)教學(xué)中存在問題，結(jié)合課題組近幾年的教學(xué)經(jīng)驗，提出虛擬仿真與翻轉(zhuǎn)課堂融合的混合式教學(xué)模式，教學(xué)模式框架如圖1 所示。在教學(xué)過程中，將虛擬仿真實驗與線下實踐結(jié)合、虛擬仿真教學(xué)與翻轉(zhuǎn)課堂融合，形成以“教師引導(dǎo)，學(xué)生主動，虛實結(jié)合，學(xué)思互補”的高效課堂，具體可分為課前、課中和課后這3 個環(huán)節(jié)，從而實現(xiàn)從發(fā)現(xiàn)問題到解決問題和教學(xué)效果提升的教學(xué)目的。

圖1 虛擬仿真與翻轉(zhuǎn)課堂融合的教學(xué)模式流程圖

2.1 課前準(zhǔn)備

在課前準(zhǔn)備中，該研究以南方測繪數(shù)字測圖仿真實驗軟件為基礎(chǔ)，并將測量學(xué)的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)與分配，部分仿真實驗內(nèi)容如圖2 所示?？捎糜谌诤辖虒W(xué)的具體知識點可以分為水準(zhǔn)測量、角度測量、控制測量、碎部測量、測設(shè)等，每個知識點可分為教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、儀器、原理、操作和視頻等知識點。

圖2 南方測繪數(shù)字測圖虛擬仿真實驗系統(tǒng)部分界面

基于翻轉(zhuǎn)課堂的角色翻轉(zhuǎn)理念，學(xué)生課前登錄虛擬仿真教學(xué)平臺，對教學(xué)目標(biāo)等知識點進(jìn)行在線學(xué)習(xí)，并完成相關(guān)的課前預(yù)習(xí)作業(yè)，提出預(yù)習(xí)存在的問題。教師在課前，登錄虛擬仿真教學(xué)平臺，對學(xué)生學(xué)習(xí)過程中存在的問題進(jìn)行解惑答疑，并總結(jié)共性問題，便于課中進(jìn)行有針對性的講解。在課前虛擬仿真和翻轉(zhuǎn)課堂的結(jié)合中，以任務(wù)為驅(qū)動，以促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣，激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)的熱情；在理論與虛擬仿真的結(jié)合中，使學(xué)生對知識點有更直觀的理解。同時，課前預(yù)習(xí)可以發(fā)現(xiàn)學(xué)生存在的疑惑，達(dá)到發(fā)現(xiàn)共性問題的目的。

2.2 課中實施

2.2.1 課堂教學(xué)

針對相關(guān)知識點，在課堂中基于翻轉(zhuǎn)教學(xué)思想，邀請學(xué)生對知識點的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、儀器和操作等進(jìn)行內(nèi)容講解，并組織學(xué)生分組討論，進(jìn)一步提煉共性問題。然后，教師基于學(xué)生的講解和討論，進(jìn)行內(nèi)容回顧，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考，結(jié)合相關(guān)的虛擬仿真軟件進(jìn)行實驗操作，對學(xué)生課前和課中存在的共性問題進(jìn)行啟發(fā)式解答。

2.2.2 實踐操作

在知識點對應(yīng)的實驗課中，需要對學(xué)生進(jìn)行分組然后再進(jìn)行實際操作。為保證儀器的安全，首先，需要教師結(jié)合虛擬仿真軟件進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容的講解，包括實驗?zāi)康?、?nèi)容、儀器和操作。其次，學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，進(jìn)行儀器認(rèn)知、實際操作、指標(biāo)檢核與精度評價。最后，教師進(jìn)行操作點評和要點回顧，解答實踐中存在的問題，強調(diào)重要的操作步驟，達(dá)到畫龍點睛的目的。

2.3 課后提升

為實現(xiàn)學(xué)與思結(jié)合的提升，學(xué)生在課后登錄虛擬仿真平臺，對相關(guān)知識點內(nèi)容進(jìn)行回顧，思考課前、課中自身存在的問題，并進(jìn)行自我回答。與此同時，根據(jù)虛擬仿真系統(tǒng)和實踐課程的操作，撰寫和提交個性化的實驗報告，避免實驗報告的重復(fù)性問題，進(jìn)行全面總結(jié)，實現(xiàn)學(xué)習(xí)效果的提升。

2.4 教學(xué)評價與反饋

翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式下，測量學(xué)的考核通過過程性評價與結(jié)果性評價相結(jié)合、虛擬仿真系統(tǒng)操作與翻轉(zhuǎn)課堂表現(xiàn)相結(jié)合的多尺度考核評價模式實現(xiàn)。根據(jù)表1可知，課程總成績分為平時成績（占40%）與基本考試成績（占60%），其中平時成績由課前預(yù)習(xí)（占30%）、課堂表現(xiàn)（占40%）和課后反饋（占30%）組成，期末成績由線上虛擬仿真系統(tǒng)操作考核（占40%）和理論考試（占60%）組成。測量學(xué)課程引入更全面的過程性評價和線上線下結(jié)合的考核模式，避免了期末突擊復(fù)習(xí)、知識掌握不牢、主要靠期末筆試決定學(xué)習(xí)效果的不足，切實提高了學(xué)生主動學(xué)習(xí)和過程性學(xué)習(xí)的積極性。同時，利用問卷調(diào)查功能收集學(xué)生關(guān)于教學(xué)的反饋和建議，根據(jù)獲得的反饋結(jié)果，進(jìn)行后續(xù)課程教學(xué)過程的進(jìn)一步改進(jìn)。

表1 融合教學(xué)模式教學(xué)評價體系

3 結(jié)語

針對目前測量學(xué)教學(xué)中存在的不足，該文對虛擬仿真與翻轉(zhuǎn)課堂融合的測量學(xué)教學(xué)方法開展研究，旨在通過翻轉(zhuǎn)課堂提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)積極性的同時，利用虛擬仿真技術(shù)為學(xué)生提供有效自主學(xué)習(xí)的工具與途徑。提出方法可以克服傳統(tǒng)測量學(xué)教學(xué)中教師占主導(dǎo)作用、學(xué)生被動學(xué)習(xí)導(dǎo)致的基礎(chǔ)知識理解、記憶不深的問題；可以通過虛擬仿真系統(tǒng)拓展理論與實際結(jié)合教學(xué)的時間與空間，提高教學(xué)內(nèi)容的可理解性；以教學(xué)評價作為任務(wù)驅(qū)動，可以提高學(xué)生自學(xué)的主動性。提出的融合教學(xué)方法通過課前虛擬仿真系統(tǒng)預(yù)習(xí)和答題、課堂討論與重難點講解、課后總結(jié)與實驗報告等環(huán)節(jié)有效地提高了學(xué)生課堂的參與度與主動性，可以有效提高教學(xué)效果。